JPH0130915B2 - - Google Patents

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JPH0130915B2
JPH0130915B2 JP56068861A JP6886181A JPH0130915B2 JP H0130915 B2 JPH0130915 B2 JP H0130915B2 JP 56068861 A JP56068861 A JP 56068861A JP 6886181 A JP6886181 A JP 6886181A JP H0130915 B2 JPH0130915 B2 JP H0130915B2
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JP
Japan
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metal
electrolyte
compound
electrolytic cell
metals
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Application number
JP56068861A
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Japanese (ja)
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JPS5723088A (en
Inventor
Maruko Binsenzo Ginatsuta
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Original Assignee
METARUZU TEKUNOROJII ANDO INSUTORUMENTEESHON Inc
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
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  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は混成双極電極(heterogeneous
bipolar electrode)の系列を有する電解槽にお
いて金属及びメタロイドの化合物の陰極的に溶解
することによる該金属及びメタロイドの製造に関
する。 一般的に非鉄金属、詳しくは、いわゆる反応性
金属の製造は現在、 (a) 不連続的化学方法、 (b) 不溶性電極を有する電解採取電解槽、 (c) 化合物の陽極溶解及び金属の陰極析出、 によつて行われている。 不連続的化学方法は強度の労働力を必要とし、
しかも現在要求されている仕様の純度を有する金
属が生産されない。 慣用の電解槽の使用は、電解液において十分な
溶解度を有する金属化合物に限定されている。 金属化合物の陽極溶解は通常には低収率がもた
らされ、これは工業的な装置方法に対して受け入
れ難い。 金属が析出する末端陰極と、最初に該金属と結
合しており、かつ原料を構成している元素または
化合物が析出する不溶性の末端陽極とを有する電
解槽の操作は当業者に公知であつた。 電解液中の金属濃度を低下させるために、陰極
と不溶性陽極との1対の電極を使用する電解採取
の実施については公知であつた。 本発明の目的は、金属又はメタロイドの化合物
から高純度の金属又はメタロイドを製造する方法
を提供することであり、本発明は低溶解性あるい
は不溶解性の金属を含有する出発原料である該化
合物を含む電解質を使用する。本発明はこの目的
を達成するものである。 本発明の主題は、陽極、陰極および陽極から陰
極まで拡つて存在している電解液からなる電解槽
を使用して金属又はメタロイドの化合物から金属
又はメタロイドを製造する方法であつて、前記化
合物を陰極に電子伝導的に接触させて、直接陰極
還元により電解質中に可溶化し、 (a) 前記電解槽に、固体あるいは液体状態の補助
の金属または金属の混合物を装入して形成され
る複数の双極電極であつて、しかもそれぞれの
装入物が陽極部分と陰極部分からなつている複
数の双極電極を設け、 (b) 電解槽に電流を流しながら可溶化すべき化合
物を電解槽へ供給して前記装入物のそれぞれの
陰極部分と電子伝導的に接触させて、前記陰極
部分上で前記化合物の金属またはメタロイドの
直接陰極還元とそれぞれの装入物の陽極部分か
ら電解質への金属イオンの供給とを同時に行な
い、そして (c) 前記電解槽および電解採取槽を含む閉回路内
で電解質を循環させ、電解採取槽において生成
すべき金属又はメタロイドを電解質から電解的
に分離する工程からなることを特徴とする金属
またはメタロイドの製造方法である。 混成双極電極により操作することによつて任意
の金属またはメタロイドを生産するために、本発
明の電気化学機構を利用することは従来全く提案
されていなかつた。すなわち金属の陰極溶解と同
時ではあるけれど別個の、金属化合物の陰極溶解
は従来は決して可能ではなかつたのである。 本発明の目的である金属及びメタロイドの製造
に好適な混成双極電極を包含する直列の電気化学
方式の主な特徴の一つは、化学的にのみ作用され
る場合には一般的に低い溶解度を有する反応性金
属化合物を包含する化合物類の、高電流効率の電
気化学的溶解を行い得るという事実である。 該混成双極電極は任意形状の任意の電子導体で
あり、電解液中に浸漬されている表面部分を有す
る。その表面部分の一方は酸化還元反応などの電
気化学的半反応(electrochemical half−
redction)の起こる位置であり、その電気化学的
半反応は前記表面部分のもう一方の位置で起こる
電気化学的半反応に対する逆反応ではなく、か
つ、もう一方の位置で起こる電気化学的半反応と
異なる反応である。 例えば、電解液中に垂直に浸漬されている固体
極板側面(前面)上において金属の陽極溶解(酸
化)が行われるのに対し、他の側面(背面)にお
いては該製造されるべき金属の化合物の還元が行
われ、しかして、この金属は該双極電極の他の側
面(前面)において溶解する金属とは異ることが
できる、ということがわかる。この後者の金属を
補助金属(auxiliary metal)という。 金属の陽極溶解の代りに、該側面において酸化
とガスの発生とが生じ得ることもあり得る。 また該金属化合物の還元が、例えば高級酸化物
(二酸化物)の低級酸化物(一酸化物)への環元
のような、部分的のみの還元であることもあり得
る。この場合該電極表面上に生成されたばかりの
低原子価化合物に対し化学反応により作用するこ
とができる電解液を選択する。 1個から任意個数までの混成双極電極を、それ
らの適当な間隔を以つて直列に配置することがで
きる。 直列の電気化学系の回路は、可溶性または不溶
性の、すなわちガスの発生または金属の溶解をつ
かさどる陽性末端電極を導入することにより達成
される。 陰性の末端電極は化合物(例えば酸化物)の、
該混成双極電極の陰極側において還元されたもの
から来る金属の電着を受け入れることができる。
また該陰性末端電極は該製造すべき金属の化合物
及びそれ自体もの陰極溶解をつかさどる。 好適な形状を有する双極電極を使用して作業す
るに当つては該陰性末端電極を、他のすべての電
極に対して直線的直列に配置する必要はない。 上記に示した機構により、該陰性末端電極に析
出する金属の量に対して、より多量の化合物を溶
解させることができる。 したがつて、過剰に溶解した金属が析出するこ
とのできる1個の陰極と、酸化反応が生じ得る、
好ましくは不溶性の1個の陽極とより成る電解採
取方式を該電解槽中に導入する必要がある。 また該電解採取系は、該混成双極電極を有する
電解槽から分離された別の電解槽中に設置するこ
ともできる。ただし、この場合、該2種の電解槽
間において電解液の交換または循環が行われるこ
とを条件とする。 該電解採取槽は、該混成双極電極を包含する電
解槽に使用される電源から独立的に制御するため
に、別の直流電源に接続させることもできる。 第1図は電溶と、水銀上における二酸化チタン
からのチタンの電解採取とに対する本発明の実施
態様の概略図である。 第2図は硫化物からの鉛の電解採取に対する本
発明の実施態様の概略図である。 第3図は電解槽についての第4図の−線に
沿つての断面図であり、この電解槽においては、
本発明にしたがつて、電解液の密度よりも大きい
密度を有する液状金属を使用し、液体または気体
の化合物の陰極溶解が金属の電解採取と同時に行
われる。 第4図は第3図の−線に沿つての断面図で
ある。 第5図は電解槽についての第6図の−線に
沿つての断面図であり、この電解槽においては、
本発明にしたがつて、製造すべき金属の液体また
は気体の化合物の陰極溶解が行われる。 第6図の第5図の−線に沿つての断面図で
ある。 第7図は電解槽についての第8図の−線に
沿つての断面図であり、この電解槽においては、
本発明にしたがつて、製造すべき金属の固体化合
物の陰極溶解が行われる。 第8図は第7図の−線に沿つての断面図で
ある。 第9図は電解槽についての断面図であり、この
電解槽においては、本発明にしたがつて、液状金
属が電解液の密度よりも小さい密度を有する場合
に固体化合物の陰極溶解が行われる。 第10図は電解槽についての断面図であり、こ
の電解槽においては、本発明にしたがつて、陽極
反応が液状金属上に浮かぶ電極上における気体の
発生である場合に、製造すべき金属の化合物の陰
極溶解が行われる。 第11図は陽極反応が気体の発生であり、かつ
該補助金属の機能が固体電子導体により支持され
ている場合における該化合物の陰極溶解及び同時
の金属電解採取のための電解槽の断面図である。 第12図は水平の混成双極電極の積み重ねより
成る電解槽についての第13図のXII−XII線に沿つ
ての断面図である。 第13図は第12図の積み重ねの−線
に沿つての断面図である。 第14図は本発明により具体化した電解チタン
の製造装置の、単純化した流れ図を説明する。 以後、混成双極電極(heterogeneous bipolar
electrode)を頭字語HBEによつても示す。 水銀上のチタンの電解採取を説明する概略図の
第1図において金属化合物、すなわち二酸化物が
電解槽に連続的に導入され、HBE12の陰極側
11と接触する。 該陰極半反応は、遊離の、かつHBEの陽極側
13(そこにおいては他の半反応が行われる)か
ら来る1組の電子を使いつくす、式: TiO2+2e-=TiO+O-- にしたがう二酸化物の、例えば一酸化物のような
低級酸化物への還元である。 該HBEの二つの部分は壁14により分けられ
る。電解液CA17は、下記の形式の反応: TiO+2CA=TiA2+C2O にしたがう、金属化合物(これは電解液自体に可
溶性である)を生成する化学反応により一酸化物
と反応する。 HBE12の陽極側13において行われる半反
応は、電解液中に存在する化学種に適合する、い
かなる酸化反応でもよい。 例えば反応: Ti=Ti+++2e- にしたがつて、かなりの量の金属(既に製造され
たもの)の酸化を行わせることができ、あるいは
下記の形式の反応: Me=Me+++2e- にしたがつて他の金属(補助金属)の酸化を行わ
せることができる。 該補助金属(この場合においては水銀)を末端
電極15上に、該製造すべき金属と共に共析出さ
せ、次いで該金属から分離する。可溶性陽極16
は水銀により構成される。 HBE12により過剰に溶解された金属を電解
採取するために、陰極18と不溶性陽極19との
1対の電極を使用する。 電解操作を安定状態に保つことができるような
速度において、金属を電解採取陰極上に析出させ
る。 非鉄金属の製造に対する本発明の実施態様を更
によく説明するため、概略図の第2図に鉛の電解
採取を図示する。 金属化合物、すなわち硫化物を電解槽に連続的
に導入し、HBE22の陰極部21と接触させる。 陽極部23において金属鉛が連続的に溶解す
る。またHBE自体も融解状態の鉛製であること
ができる。 電解液27は可溶性鉛化合物を形成する水溶液
または溶融塩であることができる。この場合、該
製造すべき金属を含有する化合物の還元は行われ
ず、その代りに該化合物の、電気化学的に促進さ
れる溶解が、迅速な溶解速度において行われる。
これは本発明の一つの目的である。 金属及び元素状硫黄の電解採取用に陰極28と
不溶性陽極29との1対の電極が使用される。 一般的に、元来、該製造すべき金属を含有する
原料の一部であつた元素(または化合物)が電解
採取の陽極において生成する。 金属酸化物を使用した実施する場合には酸素が
発生し、塩化物の場合には塩素が、硫化物の場合
には硫黄が発生する。他の化合物の場合も同様で
ある。 適当な補助金属を選択することにより、該製造
すべき金属を分別結晶によつて得ることができ
る。 溶融塩ベースの電解液、またはそれらの混合物
を使用して実施するに当つては、低融点の金属を
補助金属として使用することが有用である。この
液状の金属はHBEそれ自体に対して水平の幾何
学的配置とすることができる。 電極を形成する金属の密度により、底部または
表面における電極に関しての、電解槽の幾何学的
形状が決定される。 補助金属の例としてはアルカリ金属またはアル
カリ土類金属のLi、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba
及び低融点金属の、第B族:Zn、Cd、Hg;
a族:Al、Ga、In、Ti;A族:Sn、Pb;A
族:Sb、Biである。 前記水平配置は、該混成双極電極用の補助金属
としてアマルガムもしくは水銀化合物を使用す
る、水溶液または非水溶液に対して好都合に応用
される。 また反対に、操作条件下において固体である補
助金属を使用する場合には、該補助金属製のグリ
ツド構造物上に該金属化合物をペースト状として
塗りつけ、かつ加圧してHBEを製造することに
より、該金属化合物との電気的接続を確保するこ
とができる。 上記電気化学方式に対しては、制御された雰囲
気が有用である。特に、反応性金属を製造する場
合には、例えばアルゴンまたはヘリウムのような
不活性ガスを電解液上に存在させる必要がある。
例えば水素のような、還元性を有するガスは更に
有利である。 末端電極、HBEの陽極側及び電解採取系の陽
極において行われる陽極反応が気体発生反応であ
る場合には、電解液上の圧力を大気圧以下、特に
10mmHgと200mmHgとの間に保つて該反応を容易
にすることもまた有益である。 電解液としては、HBE上における反応または
電解液自体との反応のいずれかにより生成される
金属もしくはメタロイドを含有する化合物に対し
て溶解性を有することが本質的特徴である多数の
溶液を使用することができる。 例えば若干の溶液は単独か、または混合物とし
てのいずれかであり、しかも無水溶融塩か、また
は水溶液かとしてのいずれかにおけるフツ化ホウ
素酸、スルフアミン酸及びメチルスルホン酸、な
らびに有機溶剤すなわちアセトニトリル、ブチロ
ラクトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスル
ホキシド、エチレンカーボネート、エチルエーテ
ル、メチルホーメート、ニトロメタン、プロピレ
ンカーボネート、テトラブチルアンモニウムヨー
ジドであることができる。 溶融塩に基づく電解液としては下記のアルカリ
金属及びアルカリ土類、すなわちLi、Na、K、
Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Baの塩化物及びフツ化
物の単一か、または825℃以下の融点を有する混
合物としてのいずれかを使用することができる。
使用される若干の電解浴を、電解が行われる平均
温度と共に表、及びに示す。
The present invention is a hybrid bipolar electrode (heterogeneous bipolar electrode).
The present invention relates to the production of metals and metalloids by cathodically dissolving them in an electrolytic cell having a series of bipolar electrodes. The production of non-ferrous metals in general and so-called reactive metals in particular currently relies on (a) discontinuous chemical processes, (b) electrowinning cells with insoluble electrodes, (c) anodic dissolution of compounds and cathodes of metals. This is done by precipitation. Discontinuous chemical methods require intensive labor and
Furthermore, metals having the purity specifications currently required are not produced. The use of conventional electrolytic cells is limited to metal compounds that have sufficient solubility in the electrolyte. Anodic dissolution of metal compounds usually results in low yields, which are unacceptable for industrial equipment processes. The operation of an electrolytic cell having a terminal cathode, on which the metal is precipitated, and an insoluble terminal anode, on which the element or compound initially associated with the metal and constituting the raw material is precipitated, was known to those skilled in the art. . It has been known to perform electrowinning using a pair of electrodes, a cathode and an insoluble anode, to reduce the metal concentration in the electrolyte. An object of the present invention is to provide a method for producing a highly pure metal or metalloid from a metal or metalloid compound, and the present invention provides a method for producing a highly pure metal or metalloid from a metal or metalloid compound, which is a starting material containing a low-solubility or insoluble metal. Use electrolytes containing The present invention achieves this objective. The subject of the invention is a method for producing metals or metalloids from compounds of metals or metalloids using an electrolytic cell consisting of an anode, a cathode and an electrolyte extending from the anode to the cathode. a plurality of metals formed by charging said electrolytic cell with an auxiliary metal or mixture of metals in solid or liquid state, in electron conductive contact with the cathode and solubilized in the electrolyte by direct cathodic reduction; (b) supplying the compound to be solubilized to the electrolytic cell while passing an electric current through the electrolytic cell; and in electron conductive contact with the cathode portion of each of said charges for direct cathodic reduction of the metal or metalloid of said compound on said cathode portion and the transfer of metal ions from the anode portion of each charge to the electrolyte. and (c) circulating an electrolyte in a closed circuit including the electrolytic cell and the electrowinning cell, and electrolytically separating the metal or metalloid to be produced in the electrolytic cell from the electrolyte. This is a method for producing a metal or metalloid. The use of the electrochemical mechanism of the present invention to produce any metal or metalloid by operation with a hybrid bipolar electrode has never before been proposed. In other words, cathodic dissolution of metal compounds at the same time as, but separate from, cathodic dissolution of metals has never previously been possible. One of the main features of the series electrochemical system involving hybrid bipolar electrodes suitable for the production of metals and metalloids, which is the object of this invention, is that they generally exhibit low solubility when acted upon chemically only. The fact is that high current efficiency electrochemical dissolution of compounds, including reactive metal compounds, can be performed. The hybrid bipolar electrode is any electronic conductor of any shape and has a surface portion immersed in an electrolyte. One of the surface parts is used for electrochemical half-reactions such as redox reactions.
redction), and the electrochemical half-reaction is not a reverse reaction to the electrochemical half-reaction occurring at the other position of the surface portion, and is the same as the electrochemical half-reaction occurring at the other position. It's a different reaction. For example, anodic dissolution (oxidation) of metal is performed on the side surface (front side) of a solid electrode plate that is vertically immersed in an electrolytic solution, while the metal to be manufactured is oxidized on the other side surface (back side). It can be seen that a reduction of the compound takes place, so that this metal can be different from the metal dissolved on the other side (front side) of the bipolar electrode. This latter metal is called an auxiliary metal. It is also possible that instead of anodic dissolution of the metal, oxidation and gas evolution can occur on the side. It is also possible that the reduction of the metal compound is only a partial reduction, for example of a ring element of a higher oxide (dioxide) to a lower oxide (monoxide). In this case, an electrolytic solution is selected that can act by chemical reaction on the low valence compounds that have just been produced on the electrode surface. From one to any number of hybrid bipolar electrodes can be arranged in series with their appropriate spacing. A series electrochemical circuit is achieved by introducing a positive terminal electrode, soluble or insoluble, ie responsible for gas generation or metal dissolution. The negative terminal electrode is a compound (e.g. oxide),
Electrodeposition of metal coming from the reduced cathode side of the hybrid bipolar electrode can be accommodated.
The negative end electrode is also responsible for the cathodic dissolution of the metal compound and itself to be produced. In working with bipolar electrodes of suitable geometry, the negative end electrode need not be placed in linear series with all other electrodes. By the mechanism shown above, a larger amount of the compound can be dissolved than the amount of metal deposited on the negative terminal electrode. Therefore, one cathode on which excess dissolved metal can precipitate and an oxidation reaction can occur.
An electrowinning system consisting of one preferably insoluble anode must be introduced into the electrolytic cell. The electrowinning system can also be installed in a separate electrolytic cell separate from the electrolytic cell with the hybrid bipolar electrode. However, in this case, the condition is that the electrolytic solution is exchanged or circulated between the two types of electrolytic cells. The electrowinning cell can also be connected to a separate DC power source for control independently of the power source used for the electrolytic cell containing the hybrid bipolar electrode. FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the present invention for electrolysis and electrowinning of titanium from titanium dioxide on mercury. FIG. 2 is a schematic diagram of an embodiment of the present invention for electrowinning of lead from sulfides. FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrolytic cell taken along the - line in FIG. 4, and in this electrolytic cell,
According to the invention, a liquid metal having a density greater than that of the electrolyte is used, and the cathodic dissolution of the liquid or gaseous compound is carried out simultaneously with the electrowinning of the metal. FIG. 4 is a sectional view taken along the - line in FIG. 3. FIG. 5 is a cross-sectional view of the electrolytic cell taken along the - line in FIG. 6, and in this electrolytic cell,
According to the invention, cathodic dissolution of the liquid or gaseous compound of the metal to be produced is carried out. FIG. 6 is a sectional view taken along the line - in FIG. 5 of FIG. 6; FIG. 7 is a cross-sectional view of the electrolytic cell taken along the - line in FIG. 8, and in this electrolytic cell,
According to the invention, cathodic dissolution of the solid compound of the metal to be produced is carried out. FIG. 8 is a sectional view taken along the - line in FIG. 7. FIG. 9 is a cross-sectional view of an electrolytic cell in which, according to the invention, cathodic dissolution of solid compounds is carried out when the liquid metal has a density less than that of the electrolyte. FIG. 10 is a cross-sectional view of an electrolytic cell in which, according to the invention, the metal to be produced is Cathodic dissolution of the compound is performed. FIG. 11 is a cross-sectional view of an electrolytic cell for cathodic dissolution and simultaneous metal electrowinning of the compound when the anodic reaction is gas evolution and the function of the auxiliary metal is supported by a solid electronic conductor. be. FIG. 12 is a cross-sectional view along line XII--XII of FIG. 13 of an electrolytic cell consisting of a stack of horizontal hybrid bipolar electrodes. FIG. 13 is a cross-sectional view of the stack of FIG. 12 along the - line. FIG. 14 illustrates a simplified flowchart of an electrolytic titanium production apparatus embodied in accordance with the present invention. Since then, we have used heterogeneous bipolar electrodes.
electrode) is also indicated by the acronym HBE. In FIG. 1 of the schematic diagram illustrating the electrowinning of titanium on mercury, a metal compound, namely dioxide, is continuously introduced into the electrolytic cell and comes into contact with the cathode side 11 of the HBE 12. The cathodic half-reaction uses up a set of electrons that are free and come from the anodic side 13 of the HBE (where the other half -reaction takes place) ; The reduction of a substance to a lower oxide, such as a monoxide. The two parts of the HBE are separated by a wall 14. The electrolyte CA17 reacts with the monoxide by a chemical reaction that forms a metal compound, which is soluble in the electrolyte itself, according to the following reaction format: TiO+2CA=TiA 2 +C 2 O. The half-reaction that takes place on the anode side 13 of the HBE 12 can be any oxidation reaction that is compatible with the species present in the electrolyte. For example, the oxidation of a considerable amount of metal (already produced) can be carried out according to the reaction: Ti=Ti ++ +2e - , or a reaction of the form: Me=Me ++ +2e - Accordingly, other metals (auxiliary metals) can be oxidized. The auxiliary metal (in this case mercury) is co-deposited with the metal to be produced on the terminal electrode 15 and then separated from the metal. Soluble anode 16
is composed of mercury. A pair of electrodes, a cathode 18 and an insoluble anode 19, are used to electrowinning the metal excessively dissolved by the HBE 12. The metal is deposited on the electrowinning cathode at a rate such that the electrolytic operation can be kept stable. To better explain the embodiment of the present invention for the production of non-ferrous metals, the electrowinning of lead is illustrated in FIG. 2 of the schematic diagram. A metal compound, ie, a sulfide, is continuously introduced into the electrolytic cell and brought into contact with the cathode portion 21 of the HBE 22 . Metal lead is continuously dissolved in the anode part 23. The HBE itself can also be made of molten lead. Electrolyte 27 can be an aqueous solution or a molten salt forming a soluble lead compound. In this case, no reduction of the compound containing the metal to be produced takes place, but instead an electrochemically promoted dissolution of the compound takes place at a rapid dissolution rate.
This is one objective of the invention. A pair of electrodes, a cathode 28 and an insoluble anode 29, is used for electrowinning of metals and elemental sulfur. Generally, elements (or compounds) that were originally part of the raw material containing the metal to be produced are formed at the anode of electrowinning. Oxygen is evolved when working with metal oxides, chlorine when using chlorides, and sulfur when using sulfides. The same applies to other compounds. By selecting suitable auxiliary metals, the metal to be produced can be obtained by fractional crystallization. When working with molten salt-based electrolytes, or mixtures thereof, it is useful to use low melting point metals as auxiliary metals. This liquid metal can be in a horizontal geometry with respect to the HBE itself. The density of the metal forming the electrodes determines the geometry of the electrolytic cell with respect to the electrodes at the bottom or at the surface. Examples of auxiliary metals include alkali metals or alkaline earth metals such as Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, and Ba.
and low melting point metals of Group B: Zn, Cd, Hg;
Group a: Al, Ga, In, Ti; Group A: Sn, Pb; A
Family: Sb, Bi. The horizontal arrangement is advantageously applied to aqueous or non-aqueous solutions using amalgam or mercury compounds as auxiliary metals for the hybrid bipolar electrode. On the other hand, when using an auxiliary metal that is solid under operating conditions, the metal compound is applied in the form of a paste onto a grid structure made of the auxiliary metal and pressurized to produce an HBE. Electrical connection with the metal compound can be ensured. A controlled atmosphere is useful for the electrochemical methods described above. Particularly when producing reactive metals, it is necessary to have an inert gas, such as argon or helium, above the electrolyte.
Gases with reducing properties, such as hydrogen, are furthermore advantageous. When the anodic reaction that takes place at the terminal electrode, the anode side of the HBE, and the anode of the electrowinning system is a gas generation reaction, the pressure above the electrolyte should be kept below atmospheric pressure, especially
It is also beneficial to maintain between 10 mmHg and 200 mmHg to facilitate the reaction. As the electrolyte, a number of solutions are used whose essential feature is solubility for the metal- or metalloid-containing compounds produced either by reaction on the HBE or by reaction with the electrolyte itself. be able to. For example, some solutions include fluoroboric acid, sulfamic acid, and methylsulfonic acid, either alone or as a mixture, and either as an anhydrous molten salt or as an aqueous solution, and organic solvents such as acetonitrile, butyrolactone. , dimethylformamide, dimethylsulfoxide, ethylene carbonate, ethyl ether, methylformate, nitromethane, propylene carbonate, tetrabutylammonium iodide. Electrolytes based on molten salts include the following alkali metals and alkaline earths: Li, Na, K,
The chlorides and fluorides of Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba can be used either singly or as a mixture with a melting point below 825°C.
Some of the electrolytic baths used are shown in the table and the average temperature at which the electrolysis is carried out.

【表】【table】

【表】【table】

【表】 反応性金属の製造用として、二酸化チタン、四
塩化チタン、二酸化ジルコニウム及び四塩化ジル
コニウムは多数の条件下において非常に安定な物
質である。本発明によれば該化合物の電気化学的
還元が、同時に電解液の化学作用の特性を利用し
て行われる。このことは上述のようにして考案さ
れたHBE系列方式の一つの利点である。なぜな
ら、そのことはHBEの陰極側における該化合物
の陰極溶解と、同時に末端陰極及び電解採取系の
陰極における析出物の採取とを可能にするからで
ある。 下記実施例に示すように、本発明者らは本発明
により、原料の四塩化チタンを使用することによ
り、99.9%以上の高純度と200ppm以下の低い酸
素含有量とを有するチタン金属を高エネルギー効
率を伴つた連続法において製造した。 樹枝状析出物を生成する金属の場合は、低電流
密度を得るためにHBEの表面積よりも非常に大
きい(約10倍)表面積を有する末端陰極を使用す
ることが好都合の場合がある。 更に、脉動直流を供給する電源を使用すること
により、非常に低い塩のドラツグアウト(drag
−out)を有する固体電極の形成が促進される。 周期的な不動時間(dead time)を伴う、定期
的に逆流する電流を供給する電源は平滑な析出物
の生成を促進する。 HBE電解槽と採取電解槽の両者を同一の直流
電源に接続することができる。しかしながら実際
の使用においてはHBE電解槽に対する直流の供
給は金属採取電解槽に対する直流の供給と別にす
ることが重要であることがわかつた。この理由か
ら、2個の整流機を使用することが好ましい。 本発明の非常に重要な応用の一つは金属鉱石の
直接溶解及びそれと同時の純金属の電解採取であ
る。 特に酸化物、硫酸塩、硫化物、塩化物、フツ化
物を処理して、それぞれの金属を製造することが
できる。 本発明により高純度の生成金属を、その化合物
から連続的に製造することができる。 前記製造に使用する工業的装置は容易に自動化
することができる。 本発明により具体化される代表的な電解槽を第
3図に示す。 電解槽300は4個の容器320,321,3
22及び323を内蔵する軟鋼製の槽310を包
含する。該容器はケイ酸質耐火材料から構成さ
れ、底部に挿入され、かつ横置されている。 中央の容器321及び322は正方形であり、
一方において、横側の容器320及び323は該
中央の容器の半分の大きさの長方形である。 中央の容器321及び322はみぞ325を有
し、これは垂直壁330を挿入できるようにす
る。この壁もまたケイ酸質耐火材料製であり、
種々の蓋340により適当な位置に保たれてい
る。この蓋は軟鋼製であり、槽310を覆つてい
る。 前記壁330はそれぞれ2個の長方形の開口3
31及び332を有する。すなわち1個332は
壁の中央部に、他の1個331は、容器321及
び322の内側の下部にある。 容器320,321,322及び323は融解
金属350により満たされ、融解金属350は電
解液360の密度よりも大きい密度を有する。 槽310は電解液360により、壁330の開
口332まで満たされている。 側部容器320の上方にチタン製起動シート
(starting sheet)を導入する。該起動シートは
整流機の陰極端子に接続する。このシート上に液
状金属と固体チタンとが共析出する。 該液体金属が容器320内に滴下され、該容器
から導管351及びポンプ355により金属製導
管357及び358を通して、他の容器321,
322及び323の内側に移される。該金属製導
管は耐火性物質により被覆して電気絶縁性を確保
する。 製造すべき反応性金属の揮発性化合物(チタン
の場合においては四塩化物)を軟鋼製導管375
により供給する。該導管375は、融解金属35
0により満たされた容器321及び322の内側
に前記化合物を分配するために、それらの下端を
曲げ、かつ小孔を設けてある。 気体化合物が吹き込まれる容器321及び32
2の上方において、該気体の再循環のために導管
377が使用される。該気体は完全には反応せ
ず、したがつて該電解液から泡となつて出て来た
ものである。 液状金属の供給に使用される末端の導管358
は黒鉛製であり、電解液の本体を通過する、その
長さ部分のみを耐火性物質で被覆して電気的に絶
縁してある。この導管358は整流機の陽極端子
に接続され、かつ金属自体と好適な電気的接続を
させるために、液状金属350で満たした容器3
22中に浸漬されている。 該電解槽に導入され、そして該電解槽から出て
行く電解液360の循環は導管365及び366
によつて行われる。 電解槽300の蓋340の上方に、気体化合物
の供給375及び分散、ならびに該電解槽から出
て来るガスの再循環378と、そして液体金属用
352のそれぞれに好適な装置とが概略的に示さ
れている。 安定状態においては、電解電流のジユール効果
により電解槽300の加熱が行われる。起動時に
おいて、黒鉛電極(図示省略)が該蓋の開口を通
つて電解槽内に降下し、交流電流を供給されて電
解液360を加熱し、融解させる。 第5図は電解槽500の断面概略図であり、該
電解槽においては金属化合物の陰極溶解のみが行
われる。すなわち製造すべき金属の同時的電着ま
たは補助金属の還元のいずれも行われないのであ
る。 前記第3図と同様に容器520,521、及び
522の内側において、製造すべき金属の液体ま
たは気体の化合物が導管574及び575を通つ
て、また補助金属550が導管557及び558
を通つて、それぞれHBEに供給される。それぞ
れの区画の雰囲気を循環させるために、壁530
における開口532が電解液560の水準上にお
いて蓋540の付近にある。一方、電解槽に出入
する電解液560の循環が導管565及び566
を通して行われる。 第7図は固体金属化合物の陰極溶解のための電
解槽700の断面概略図を説明する。該電解槽に
おいて、液状補助金属750の機能は電子導体と
しての機能のみである。陽極反応は、例えば樹脂
状、粉末状、またはスクラツプを含めて金属破片
状としての金属チタンのような、予め生成された
金属の一部を包含する。この金属は供給系752
及び導管757を通つて連続態様で電解槽の内側
に供給される。 金属化合物は、導管775を通つて、不活性ガ
スの流れ776と共にTBEの陰極表面上に導入
される。 導管765及び766が電解槽700に出入す
る電解液760の循環をさせる。 電流は黒鉛バー791及び792により電解槽
に供給される。該黒鉛バーは電解液との接触から
電気的に絶縁するために耐火性物質で被覆してあ
る。 第9図は例えば二酸化チタンのような固体化合
物の陰極溶解のための電解槽900の断面図の概
略的説明である。この電解槽においては電解液9
60よりも軽い、したがつて電解液上に浮かぶ金
属を補助金属として使用する。またこの補助金属
は該金属化合物よりも軽い。 フツ化物より成る電解液を使用する場合には、
軟鋼製の槽910を、電解液の腐食作用に対して
耐えるように耐火性物質915により完全にライ
ニングする。 前記槽は耐火性物質の壁930及び931によ
り複数の区画に分けられる。壁930は電解液9
60のイオン伝導をさせるために、その下部に開
口932を有し、また壁931は、電解液960
上に浮かぶ補助金属950の電子伝導を利用する
ために、その上部に別の開口933を有する。 二酸化チタンを液状金属950の上方から供給
導管975により、HBEの陰極帯域内に供給す
る。 図示が省略されているけれど、電解槽の上方に
固体化合物を不活性ガスの流れ及び液状金属と共
に供給するための分配系が設置されてある。 該液状金属は導管957により供給される。 この実施態様においては電解液用の開口を有す
る壁931を使用しないことが好ましいので、電
解槽900に出入する電解液の循環を導管965
によつて行う。 第10図において、化合物の陰極溶解用の電解
槽1000を概略的に説明する。この電解槽にお
いては液状金属1050は電子伝導の機能を有
し、一方陽極反応は固体電極1095上において
行われるガス発生である。該固体電極1095は
黒鉛製であり、該液状金属上に浮んでおり、かつ
該液状金属と電気的に接続している。 第10図において、液体または気体の化合物を
導管1074及び1075により電解槽に供給す
る。固体供給物を使用するためには異つた供給方
式が必要である。 例えば酸素、塩素、硫黄及びその他のような発
生ガスは電気的に絶縁されたフード1096に集
中され、電解槽から導き出される。 第11図において陰極1170における溶解及
び同時の電解採取のための電解槽1100を概略
的に説明する。該電解槽においてHBEは陰極側
が黒鉛製の充てん床1185より成り、該充てん
床はこれもまた黒鉛製のかご1186に入れられ
ている。該HBEの陰極側は、金属製グリツド1
188内に封入された黒鉛板1187より成る。 該HBEの両側部は絶縁耐火性物質製の壁11
30により隔てられている。壁1130の電解液
1160が流れ得るように開口1132を有す
る。 還元すべき液状または気体状の化合物を、曲つ
た、かつ小孔を有する導管1175により、かご
1186の下方から供給し、一方、電極1187
上においては発生ガスがフード1189を通つて
電解槽1100から導き出される。 第11図に示すものに類似するもう一つの幾何
学的配置は気体発生用の板状電極の代りに他の黒
鉛製かごより成る。 金属が樹枝状、破片状またはスクラツプ状で陽
極かごに供給され、一方固体化合物が陰極かごに
導入される。 第12図においてHBEの電解槽1200に対
する水平の幾何学的配置が円形容器の積み重ねに
より構成されるものとして示される。これらの容
器は、耐火性物質製のリム(輪縁)1230を周
縁に挿入できるように組み立てられた、皿122
0の形状の黒鉛製のものである。 該耐火性物質は電気絶縁体であり、HBEに対
するスペーサーとしての役目も果す。 液状金属1250は黒鉛製の皿1220内にお
いて該容器の上方の側に保持される。該化合物の
陰極還元及び陰極溶解は容器の底部1280にお
いて行われる。気体状または液状の該化合物は、
それぞれのHBEにおける、それぞれの導管12
74により供給される。導管1257が液状金属
を該容器に供給する。 電解液1260の流れが導管1265を通つて
電解槽に入り、導管1266を通つて電解槽から
出て行く。 第14図は、液状金属と原料としての四塩化チ
タンとを使用する電解チタン生成用の工業的装置
に対する、物質及びエネルギーについて概略的に
説明する簡単化した流れ図である。 本装置は本質的に、 (1) 蒸発され、過熱されたTiCl4が操作温度にお
いて供給される、前記第5図に示される形式の
溶解電解槽「D」と、 (2) 気体塩素の発生を伴つて、チタンと補助金属
との共析出が行われる電解採取電解槽「E」
と、 より成る。 該溶解電解槽はTi()を可溶性のチタン
()に陰極的に還元する目的を有し、一方にお
いて陽極反応は補助金属を包含する。抽出電解槽
においては固体Tiと液状補助金属との2種の金
属が陰極共析出する。 図において連続線は物質の流れを示し、断続線
はエネルギーの流を示す。 記号の意味は次のとおりである。 EVS:TiCl4を蒸発し、過熱するためのエネル
ギー。 ED:溶解電解槽における電解のためのエネル
ギー。 EE:採取電解槽における電解のためのエネル
ギー。 EP:付着装置及び熱損失のためのエネルギー l:液体 v:蒸気 Me:液状補助金属 e:電解液 VS:蒸発器及び過熱器 D:電解溶解電解槽 E:電解採取電解槽 2つの電解槽間に3つの物質の流れがある。そ
れらは:電解槽Dからの電解槽Eへの電解液回
路、EからDへの戻りの回路及び電解槽Eから電
解槽Dへの補助金属の流れである。 毎時電解槽約3杯分の容量の、電解槽間の電解
液の流れと共に、出入する電解液間のTi濃度差
を約10〜15%に維持する。 生成した塩素は再利用する。 すべての操作は制御された雰囲気下に行うこと
が好ましく、この雰囲気において、酸素、窒素及
び水蒸気の分圧は最低の実用値に保つ。したがつ
て本発明の装置は外部環境から隔離された室内に
構築する。 実施例 1 原料として四塩化チタンを、そして補助金属と
して鉛を使用し、第5図に示す溶解電解槽によ
り、第14図に概説する流れ図にしたがう装置に
おける電解チタンの連続的製造。 操作データ: チタンの生成:4.16Kg/時 四塩化チタンの供給:16.65Kg/時 電解液流量:610Kg/時 電解液平均温度:775℃ 溶解電解槽を出てゆく電解液の化学的性質(重
量%): NaCl:69.9% TiClx:26.0%(Ti10.5%) PbCl2:4.1% Tiの平均原子価:2.05 溶解電解槽: 電圧:2.2V 電流:1618A 採取電解槽: 電圧:4.5V 電流:10354A 実施例 2 原料として二酸化チタン(含有TiO2〓98%)
を、補助液状金属としてリチウム−ナトリウム合
金を使用し、第9図に示す溶解電解槽により、第
14図に概説する流れ図にしたがう装置における
電解チタンの連続的製造。 操作データ: チタンの生成:3.13Kg/時 二酸化物の供給:5.44Kg/時 電解液流量:1130Kg/時 電解液の平均温度:725℃ 溶解電解槽を出てゆく電解液の化学的性質(重量
%): 可溶性チタン(Ti+++として):2.3% フツ化リチウム及びフツ化ナトリウム(50%共
晶) 溶解電解槽: 電圧:2.9V 電流:649A 採取電解槽: 電圧:5.0V 電流:7790A
Table: For the production of reactive metals, titanium dioxide, titanium tetrachloride, zirconium dioxide and zirconium tetrachloride are very stable materials under many conditions. According to the invention, the electrochemical reduction of the compound is simultaneously carried out using the chemical properties of the electrolyte. This is one advantage of the HBE sequence system devised as described above. This is because it allows cathodic dissolution of the compound on the cathode side of the HBE and at the same time collection of the precipitate at the terminal cathode and the cathode of the electrowinning system. As shown in the examples below, the present inventors have developed a high-energy titanium metal having a high purity of 99.9% or more and a low oxygen content of 200 ppm or less by using titanium tetrachloride as a raw material. Manufactured in a continuous process with efficiency. For metals that form dendritic precipitates, it may be advantageous to use a terminal cathode with a much larger surface area (approximately 10 times) than that of the HBE to obtain low current densities. Furthermore, by using a power supply that provides oscillating direct current, very low salt dragout is achieved.
−out). A power supply that provides periodically countercurrent current with periodic dead times promotes the formation of smooth deposits. Both the HBE electrolyzer and the sampling electrolyzer can be connected to the same DC power source. However, in actual use, it has been found that it is important to separate the DC supply to the HBE electrolyzer from the DC supply to the metal extraction electrolyzer. For this reason, it is preferred to use two rectifiers. One of the very important applications of the invention is the direct melting of metal ores and the simultaneous electrowinning of pure metals. In particular, oxides, sulfates, sulfides, chlorides, and fluorides can be processed to produce the respective metals. According to the present invention, high-purity product metals can be continuously produced from their compounds. The industrial equipment used for said production can be easily automated. A typical electrolytic cell embodied in the present invention is shown in FIG. The electrolytic cell 300 has four containers 320, 321, 3
It includes a tank 310 made of mild steel that houses 22 and 323. The container is constructed of siliceous refractory material and is inserted into the bottom and placed horizontally. The central containers 321 and 322 are square;
On the one hand, the side containers 320 and 323 are rectangular and half the size of the central container. The central containers 321 and 322 have a groove 325, which allows a vertical wall 330 to be inserted. This wall is also made of siliceous refractory material;
It is held in place by various lids 340. This lid is made of mild steel and covers the tank 310. The walls 330 each have two rectangular openings 3.
31 and 332. That is, one piece 332 is located in the center of the wall, and the other piece 331 is located at the bottom inside the containers 321 and 322. Containers 320, 321, 322, and 323 are filled with molten metal 350, which has a density greater than the density of electrolyte 360. Tank 310 is filled with electrolyte 360 up to opening 332 in wall 330 . A titanium starting sheet is introduced above the side container 320. The activation sheet connects to the cathode terminal of the rectifier. Liquid metal and solid titanium are co-deposited on this sheet. The liquid metal is dripped into container 320 from which it is passed by conduit 351 and pump 355 through metal conduits 357 and 358 to other containers 321,
322 and 323. The metal conduit is coated with a refractory material to ensure electrical insulation. The volatile compound of the reactive metal to be produced (tetrachloride in the case of titanium) is transferred to a mild steel conduit 375.
Supplied by The conduit 375 is connected to the molten metal 35.
In order to dispense the compound inside the containers 321 and 322 filled with 0, their lower ends are bent and a small hole is provided. Containers 321 and 32 into which gaseous compounds are blown
Above 2, a conduit 377 is used for recirculation of the gas. The gas did not react completely and therefore came out of the electrolyte as bubbles. Terminal conduit 358 used to supply liquid metal
is made of graphite and is electrically insulated by being coated with a refractory material only over its length, which passes through the body of the electrolyte. This conduit 358 is connected to the anode terminal of the rectifier and is filled with a container 350 filled with liquid metal 350 to make a suitable electrical connection with the metal itself.
It is immersed in 22. Circulation of electrolyte 360 into and out of the electrolytic cell is via conduits 365 and 366.
It is carried out by. Above the lid 340 of the electrolytic cell 300, suitable devices are shown schematically for the supply 375 and dispersion of gaseous compounds and for the recirculation 378 of the gas coming out of the electrolytic cell, and for the liquid metal 352, respectively. has been done. In a stable state, the electrolytic cell 300 is heated by the Joule effect of the electrolytic current. During start-up, a graphite electrode (not shown) is lowered into the electrolytic cell through an opening in the lid and is supplied with an alternating current to heat and melt the electrolyte 360. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an electrolytic cell 500, in which only cathodic dissolution of metal compounds is performed. This means that neither simultaneous electrodeposition of the metal to be produced nor reduction of the auxiliary metal takes place. As in FIG. 3 above, inside the containers 520, 521, and 522, the liquid or gaseous compound of the metal to be produced passes through conduits 574 and 575, and the auxiliary metal 550 passes through conduits 557 and 558.
They are each supplied to the HBE through the Walls 530 to circulate the atmosphere in each compartment.
An opening 532 in is near the lid 540 above the level of the electrolyte 560. On the other hand, the circulation of electrolyte 560 in and out of the electrolytic cell is carried out through conduits 565 and 566.
It is done through. FIG. 7 illustrates a cross-sectional schematic diagram of an electrolytic cell 700 for cathodic dissolution of solid metal compounds. In the electrolytic cell, the liquid auxiliary metal 750 only functions as an electronic conductor. The anodic reaction involves a pre-produced portion of the metal, such as titanium metal, for example, in resin form, powder form, or metal shard form, including scrap. This metal is the supply system 752
and is supplied to the inside of the electrolytic cell in a continuous manner through conduit 757. The metal compound is introduced onto the cathode surface of the TBE through conduit 775 with a flow of inert gas 776. Conduits 765 and 766 circulate electrolyte 760 into and out of electrolytic cell 700. Current is supplied to the electrolytic cell by graphite bars 791 and 792. The graphite bar is coated with a refractory material to electrically insulate it from contact with the electrolyte. FIG. 9 is a schematic illustration of a cross-sectional view of an electrolytic cell 900 for cathodic dissolution of solid compounds such as titanium dioxide. In this electrolytic cell, electrolyte 9
Metals lighter than 60% and therefore floating on the electrolyte are used as auxiliary metals. The auxiliary metal is also lighter than the metal compound. When using an electrolyte consisting of fluoride,
A vessel 910 made of mild steel is completely lined with a refractory material 915 to withstand the corrosive effects of the electrolyte. The tank is divided into compartments by walls 930 and 931 of refractory material. The wall 930 is the electrolyte 9
The wall 931 has an opening 932 in its lower part for ion conduction of the electrolyte 960.
Another opening 933 is provided at the top to take advantage of the electronic conduction of the auxiliary metal 950 floating above. Titanium dioxide is fed into the cathode zone of the HBE from above liquid metal 950 by feed conduit 975. Although not shown, a distribution system is installed above the electrolytic cell for supplying the solid compound together with the flow of inert gas and the liquid metal. The liquid metal is supplied by conduit 957. Since walls 931 with electrolyte openings are preferably not used in this embodiment, the circulation of electrolyte into and out of electrolytic cell 900 is carried out by conduit 965.
It is done by. In FIG. 10, an electrolytic cell 1000 for cathodic dissolution of compounds will be schematically explained. In this electrolytic cell, the liquid metal 1050 has the function of electron conduction, while the anodic reaction is gas generation performed on the solid electrode 1095. The solid electrode 1095 is made of graphite, floats on the liquid metal, and is electrically connected to the liquid metal. In FIG. 10, liquid or gaseous compounds are supplied to the electrolytic cell by conduits 1074 and 1075. The use of solid feeds requires a different feeding system. Generated gases such as oxygen, chlorine, sulfur, and others are concentrated in an electrically insulated hood 1096 and directed from the electrolyzer. In FIG. 11, an electrolytic cell 1100 for dissolution and simultaneous electrowinning at a cathode 1170 is schematically illustrated. In the electrolytic cell, the HBE consists of a packed bed 1185 made of graphite on the cathode side, which is placed in a cage 1186 also made of graphite. The cathode side of the HBE is connected to a metal grid 1.
It consists of a graphite plate 1187 enclosed within 188. Both sides of the HBE are made of insulating refractory material walls 11.
30. Wall 1130 has openings 1132 to allow electrolyte 1160 to flow therethrough. The liquid or gaseous compound to be reduced is supplied from below cage 1186 by a curved and perforated conduit 1175, while electrode 1187
At the top, generated gas is led out of the electrolytic cell 1100 through a hood 1189. Another geometry similar to that shown in FIG. 11 consists of another graphite cage instead of the plate electrode for gas generation. The metal is fed in the form of dendrites, fragments or scraps to the anode cage, while the solid compound is introduced into the cathode cage. In FIG. 12, the horizontal geometry for the HBE cell 1200 is shown as consisting of a stack of circular containers. These containers have a pan 122 assembled to allow a rim 1230 of refractory material to be inserted around the periphery.
It is made of graphite in the shape of 0. The refractory material is an electrical insulator and also serves as a spacer for the HBE. Liquid metal 1250 is held within a graphite pan 1220 on the upper side of the container. Cathodic reduction and cathodic dissolution of the compound takes place at the bottom 1280 of the vessel. The gaseous or liquid compound is
Each conduit 12 in each HBE
74. Conduit 1257 supplies liquid metal to the container. A flow of electrolyte 1260 enters the cell through conduit 1265 and exits the cell through conduit 1266. FIG. 14 is a simplified flow chart outlining the materials and energy for an industrial apparatus for electrolytic titanium production using liquid metal and titanium tetrachloride as feedstock. The apparatus consists essentially of (1) a melting electrolyzer "D " of the type shown in FIG. Electrowinning electrolytic cell "E" in which titanium and auxiliary metals are co-deposited with
It consists of and. The melting electrolyzer has the purpose of cathodically reducing Ti() to soluble titanium(), while the anodic reaction involves auxiliary metals. In the extraction electrolytic cell, two metals, solid Ti and liquid auxiliary metal, are co-deposited on the cathode. In the figure, continuous lines indicate the flow of matter, and broken lines indicate the flow of energy. The meanings of the symbols are as follows. EVS: Energy for evaporating and superheating TiCl4 . ED: Energy for electrolysis in the melting electrolyzer. EE: Energy for electrolysis in the extraction electrolyser. EP: energy for deposition equipment and heat losses l: liquid v: vapor Me: liquid auxiliary metal e: electrolyte VS: evaporator and superheater D: electrolytic melting cell E: electrowinning cell between two electrolytic cells There are three flows of matter. These are: the electrolyte circuit from electrolytic cell D to electrolytic cell E, the return circuit from E to D and the auxiliary metal flow from electrolytic cell E to electrolytic cell D. The Ti concentration difference between the incoming and outgoing electrolytes is maintained at about 10-15% with a flow of electrolyte between the electrolytic cells at a capacity of about 3 electrolytic cells per hour. The generated chlorine will be reused. All operations are preferably carried out under a controlled atmosphere in which the partial pressures of oxygen, nitrogen and water vapor are kept at the lowest practical values. The device of the invention is therefore constructed indoors, isolated from the outside environment. Example 1 Continuous production of electrolytic titanium in an apparatus according to the flowchart outlined in FIG. 14, using titanium tetrachloride as raw material and lead as auxiliary metal, in a melting electrolytic cell as shown in FIG. 5. Operating data: Titanium production: 4.16 Kg/hr Titanium tetrachloride feed: 16.65 Kg/hr Electrolyte flow rate: 610 Kg/hr Electrolyte average temperature: 775°C Chemical properties of the electrolyte leaving the melting electrolyzer (weight %): NaCl: 69.9% TiCl x : 26.0% (Ti10.5%) PbCl 2 : 4.1% Average valence of Ti: 2.05 Melting electrolyzer: Voltage: 2.2V Current: 1618A Collection electrolyzer: Voltage: 4.5V Current :10354A Example 2 Titanium dioxide as raw material (containing TiO 2 98%)
Continuous production of electrolytic titanium using a lithium-sodium alloy as the auxiliary liquid metal, in a melting electrolyzer as shown in FIG. 9, in an apparatus according to the flowchart outlined in FIG. 14. Operating data: Titanium production: 3.13 Kg/hr Dioxide feed: 5.44 Kg/hr Electrolyte flow rate: 1130 Kg/hr Average temperature of the electrolyte: 725°C Chemical properties of the electrolyte leaving the melting cell (weight) %): Soluble titanium (as Ti +++ ): 2.3% Lithium fluoride and sodium fluoride (50% eutectic) Melting electrolytic cell: Voltage: 2.9V Current: 649A Collection electrolytic cell: Voltage: 5.0V Current: 7790A

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図から第13図までは本発明の好ましい実
施態様における各種電解槽の断面図である。第1
4図は本発明の電解チタンの製造装置についての
概略的な流れ図である。
1 to 13 are cross-sectional views of various electrolytic cells according to preferred embodiments of the present invention. 1st
FIG. 4 is a schematic flowchart of the electrolytic titanium manufacturing apparatus of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 陽極、陰極および陽極から陰極まで拡つて存
在している電解液からなる電解槽を使用して金属
又はメタロイドの化合物から金属又はメタロイド
を製造する方法であつて、前記化合物を陰極に電
子伝導的に接触させて、直接陰極還元により電解
質中に可溶化し、 (a) 前記電解槽に、固体あるいは液体状態の補助
の金属または金属の混合物を装入して形成され
る複数の双極電極であつて、しかもそれぞれの
装入物が陽極部分と陰極部分からなつている複
数の双極電極を設け、 (b) 電解槽に電流を流しながら可溶化すべき化合
物を電解槽へ供給して前記装入物のそれぞれの
陰極部分と電子伝導的に接触させて、前記陰極
部分上で前記化合物の金属またはメタロイドの
直接陰極還元とそれぞれの装入物の陽極部分か
ら電解質への金属イオンの供給とを同時に行な
い、そして (c) 前記電解槽および電解採取槽を含む閉回路内
で電解質を循環させ、電解採取槽において生成
すべき金属又はメタロイドを電解質から電解的
に分離する工程からなることを特徴とする、前
記方法。 2 各装入物中の補助金属は、生成すべき金属と
異なることを特徴とする、特許請求の範囲第1項
記載の方法。 3 各装入物中の補助金属又は金属の混合物は、
生成すべき金属からなることを特徴とする、特許
請求の範囲第1項に記載の方法。 4 前記装入物は電解質より密度が大きいか、ま
たは小さい補助金属又は金属の混合物のプールで
あることを特徴とする、特許請求の範囲第1項、
第2項あるいは第3項に記載の方法。 5 (a) 電解質の温度は、生成すべき金属又はメ
タロイドの融点より低く、そして (b) 液体状態のある量の補助金属を伴う固体析出
物として、金属又はメタロイドを電解採取槽中
で分離し、そしてこうして分離した補助金属を
液体状態で採集し、電解槽中のプールへ再循環
させることを特徴とする、特許請求の範囲第4
項に記載の方法。 6 電解質は昇温した溶融塩浴であり、補助金属
又は金属混合物は前記温度の溶融状態であること
を特徴とする、特許請求の範囲第5項に記載の方
法。 7 生成すべきある量の金属又はメタロイドは液
体状態のある量の補助金属と共に電解槽の陰極上
に固体状態で析出し、こうして分離した補助金属
を液体状態で採集して陰極を伴うプールを形成
し、そこから双極プールの1つへと再循環させる
ことを特徴とする、特許請求の範囲第5項又は第
6項に記載の方法。 8 前記プールが前記陰極を形成し、可溶化すべ
き化合物をこのプールに供給し、それにより前記
化合物を陰極的に可溶化することを特徴とする、
特許請求の範囲第7項に記載の方法。 9 電解質は水溶液であることを特徴とする、特
許請求の範囲第1〜第5項の何れか1項に記載の
方法。 10 可溶化すべき化合物は四塩化チタンであ
り、補助金属は鉛であることを特徴とする、特許
請求の範囲第1〜第8項の何れか1項に記載の方
法。 11 可溶化すべき化合物は二酸化チタンであ
り、補助金属混合物はリチウム/ナトリウム合金
であることを特徴とする、特許請求の範囲第1項
〜第8項の何れか1項に記載の方法。 12 電解質は非水性溶液であることを特徴とす
る、特許請求の範囲第1〜第5項の何れか1項に
記載の方法。 13 可溶化すべき化合物は四塩化チタンである
ことを特徴とする、特許請求の範囲第1〜第8項
の何れか1項に記載の方法。 14 可溶化すべき化合物は四塩化ジルコニウム
であることを特徴とする、特許請求の範囲第1〜
第8項の何れか1項に記載の方法。 15 可溶化すべき化合物は二酸化チタンである
ことを特徴とする、特許請求の範囲第1〜第8項
の何れか1項に記載の方法。 16 可溶化すべき化合物は二酸化ジルコニウム
であることを特徴とする、特許請求の範囲第1〜
第8項の何れか1項に記載の方法。 17 生成すべき金属又はメタロイドはホウ素、
硫黄、ヒ素、アンチモンあるいはケイ素であるこ
とを特徴とする、特許請求の範囲第1〜第8項の
何れか1項に記載の方法。 18 鉛、銅、スズ、亜鉛などの金属を生成する
ことを特徴とする、特許請求の範囲第1〜第8項
の何れか1項に記載の方法。 19 チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タン
タル、ニオブ、バナジウム、クロム、モリブデ
ン、タングステン、マンガン、アルミニウムなど
の金属を生成することを特徴とする、特許請求の
範囲第1〜第8項の何れか1項に記載の方法。 20 コバルト鉄、ニツケル鉄、フエロマンガ
ン、フエロバナジウム、フエロシリコン、および
フエロクロムなどのフエロアロイを生成すること
を特徴とする、特許請求の範囲第1〜第8項の何
れか1項に記載の方法。 21 ビスマス、カドミウム、ベリリウム、希土
類金属などの金属を生成することを特徴とする、
特許請求の範囲第1〜第8項の何れか1項に記載
の方法。 22 混成双極電極は固体であり、生成すべき金
属の化合物のペーストを補助金属上に押しひろげ
て加圧することにより形成される構造体として作
られることを特徴とする、特許請求の範囲第1項
〜第8項の何れか1項に記載の方法。 23 遷移金属を生成することを特徴とする、特
許請求の範囲第1〜第8項の何れか1項に記載の
方法。
[Scope of Claims] 1. A method for producing a metal or metalloid from a metal or metalloid compound using an electrolytic cell comprising an anode, a cathode, and an electrolyte extending from the anode to the cathode, the method comprising: in electron conductive contact with a cathode and solubilized in an electrolyte by direct cathodic reduction; (a) said electrolytic cell is charged with an auxiliary metal or mixture of metals in solid or liquid state; (b) providing a plurality of bipolar electrodes, each charge consisting of an anode portion and a cathode portion; (b) passing the compound to be solubilized into the electrolytic cell while passing an electric current through the electrolytic cell; providing direct cathodic reduction of the metal or metalloid of the compound on the cathode portion and the metal from the anode portion of the respective charge into the electrolyte; and (c) circulating an electrolyte in a closed circuit including the electrolytic cell and the electrowinning cell, and electrolytically separating the metal or metalloid to be produced in the electrolytic cell from the electrolyte. The method, characterized in that: 2. Process according to claim 1, characterized in that the auxiliary metal in each charge is different from the metal to be produced. 3 The auxiliary metal or mixture of metals in each charge shall be
2. Process according to claim 1, characterized in that it consists of the metal to be produced. 4. Claim 1, characterized in that the charge is a pool of auxiliary metals or mixtures of metals that are more or less dense than the electrolyte,
The method described in Section 2 or Section 3. 5 (a) the temperature of the electrolyte is below the melting point of the metal or metalloid to be produced, and (b) the metal or metalloid is separated in an electrowinning cell as a solid deposit with a quantity of auxiliary metal in a liquid state. , and the auxiliary metal thus separated is collected in liquid state and recycled to the pool in the electrolytic cell.
The method described in section. 6. Process according to claim 5, characterized in that the electrolyte is a molten salt bath at an elevated temperature and the auxiliary metal or metal mixture is in a molten state at said temperature. 7 The amount of metal or metalloid to be produced is deposited in solid state on the cathode of the electrolytic cell together with the amount of auxiliary metal in liquid state, and the auxiliary metal thus separated is collected in liquid state to form a pool with the cathode. 7. A method as claimed in claim 5 or claim 6, characterized in that the method comprises the steps of: recirculating the bipolar pools from there into one of the bipolar pools; 8. characterized in that the pool forms the cathode and the compound to be solubilized is fed to this pool, thereby cathodically solubilizing the compound,
A method according to claim 7. 9. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte is an aqueous solution. 10. Process according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the compound to be solubilized is titanium tetrachloride and the auxiliary metal is lead. 11. Process according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the compound to be solubilized is titanium dioxide and the auxiliary metal mixture is a lithium/sodium alloy. 12. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte is a non-aqueous solution. 13. Process according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the compound to be solubilized is titanium tetrachloride. 14 Claims 1 to 1, characterized in that the compound to be solubilized is zirconium tetrachloride.
The method according to any one of Section 8. 15. Process according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the compound to be solubilized is titanium dioxide. 16 Claims 1 to 3, characterized in that the compound to be solubilized is zirconium dioxide.
The method according to any one of Section 8. 17 The metal or metalloid to be produced is boron,
9. A method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that sulfur, arsenic, antimony or silicon is used. 18. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that metals such as lead, copper, tin, and zinc are produced. 19. According to any one of claims 1 to 8, which is characterized in that it produces metals such as titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, vanadium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, and aluminum. Method described. 20. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that ferroalloys such as cobalt iron, nickel iron, ferromanganese, ferrovanadium, ferrosilicon, and ferrochrome are produced. . 21. Characterized by producing metals such as bismuth, cadmium, beryllium, rare earth metals, etc.
A method according to any one of claims 1 to 8. 22. Claim 1, characterized in that the hybrid bipolar electrode is solid and is produced as a structure formed by pressing and spreading a paste of the compound of the metals to be produced on an auxiliary metal and applying pressure. - The method according to any one of clauses 8 to 8. 23. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a transition metal is produced.
JP6886181A 1980-05-07 1981-05-07 Production of metal by cathodic dissolution of metal compound in electrolytic tank Granted JPS5723088A (en)

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